面向二十一世纪的嵌入式系统设计技术

第二讲：

基于FPGA的嵌入式系统设计－System On a Programmable Chip

徐 欣 博士

嵌 入 式 系 统 开 放 研 究 小 组

O p e n I P C o r e开发小组

主要内容

FPGA技术发展趋势综述IP资源复用与IP Core设计MicroBlaze软处理器IP Core介绍SOPC基本特征与设计实现基于Internet可重构逻辑技术（IRL ）

FPGA技术发展趋势综述

FPGA技术发展新趋势（1）

向密度更高、速度更快、频带更宽的百万门系统级方向发展

Xilinx Virtex/-E/II Pro （PPC405、MutiGbit收发器、RoketI/O、部分可重构特性）Altera APEX/Stratix

向低成本、低价格的片上系统方向发展Xilinx 的MicroBlaze及SpartanII系列Altera 的Nios

低电压、低功耗和绿色化方向发展

FPGA技术发展新趋势（2）IP Core得到进一步发展，Open IP Core将会象自由软件一样得到飞速发展

设计复杂性与知识产权复用

IP Core开发工具和知识产权保护手段不断完善（Xilinx的IP Capture等）OPEN Core计划推波助澜软IP Core（如MicroBlaze）和硬IP Core（如PPC405）齐头并进

FPGA技术发展新趋势（3）FPGA与ASIC界限日趋模糊，相互融合

FPGA嵌入标准单元（如Xilinx的PPC405、MutiGbit收发器等）ASIC嵌入可编程逻辑单元（ 如Atmel的FPSLIC 等）

FPGA的成本不断下降，产品上市周期压力日趋严重，使得FPGA在很多领域将成为ASIC的替代品

FPGA技术发展新趋势（4）

SOPC时代即将到来SOPC：System-On-a-Programble-ChipIP Core的不断丰富和完善奠定了SOPC的基础先进的百万门级FPGA开发工具是SOPC的主要平台处理器IP Core解决了SOPC的最关键问题

基于FPGA的嵌入式系统设计发展方向硬件工程师为主的IP Core开发软件工程师为主的RTOS及应用软件开发对软硬件相关标准和协议的深入理解和实现

主要内容

FPGA技术发展趋势综述IP资源复用与IP Core设计MicroBlaze软处理器IP Core介绍SOPC基本特征与设计实现基于Internet可重构逻辑技术（IRL ）

IP资源复用与IP Core设计

IP资源复用理念

IP资源复用(IP Reuse)是指在集成电路设计过程中，通过继承、共享或购买所需的部分或全部智力产权内核(IP Core)，进行设计、综合和验证，从而加速流片设计过程的设计方法

IP Core是一种商品，是可编程逻辑器件设计工程师价值体现的主要途径

Why FPGA？Why IP Core ？

FPGA设计灵活，设计迭代周期短FPGA密度提高，适于IP Core开发

FPGA成本降低，相应的EDA工具性价比较高

IP Core的表现形式

HDL语言（VHDL 或 Verilog HDL）原理图（可移植性差）

网表

符合某种EDA工具的特定格式如：Xilinx的IP Capture和Core Generator等

IP Core的分类－－SOPC的基本要素

微处理器IP Core8/16/32/64位，如MicroBlaze、Nois、8051

处理器外设IP CoreSDRAM 控制器、LCD 控制器、总线控制器等

DSP算法IP CoreFIR滤波器、DES加密、音视频编码和解码等

通信控制器IP CoreMAC、Gbit收发器、CAM、协议转换等

其它类型IP Core

IP Core设计：编码风格编码风格（Coding Style）是基于HDL的IP Core源码编写的指导性文档，关系到IP Core的可读性、易于集成性及其质量编码风格一般包含几个方面的约定：文件头和版本说明、联机注释、命名规则、可综合编码（UCF）等

http://www.opencores.org http://www.IPcore.com.cn

IP Core验证和开发工具

ModelSim

ActiveHDL

主要内容

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MicroBlaze软处理器IP Core介绍

主要内容

FPGA技术发展趋势综述IP资源复用与IP Core设计MicroBlaze软处理器IP Core介绍SOPC基本特征与设计实现基于Internet可重构逻辑技术（IRL ）

SOPC的基本特征与设计实现

SOPC的双重含义

可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式微处理器系统：

首先，它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；

其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。

SOPC的基本特征

至少包含一个嵌入式处理器内核

具有小容量片内高速RAM资源丰富的IP Core资源可供选择足够的片上可编程逻辑资源

具有处理器调试接口和FPGA编程接口可能包含部分可编程模拟电路

单芯片、低功耗、微封装

Why SOPC ？

降低成本

提高系统整体性能

缩短设计迭代周期

降低硬件系统设计风险

极大程度提高设计灵活性

可重构、可升级

SOPC设计技术

以处理器和实时多任务操作系统（RTOS）为中心的嵌入式软件设计技术

以PCB和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术

软硬件协同设计技术

新的调试技术 ：Xilinx公司的片内逻辑分析仪ChipScope ILA

SOPC设计工具

主要内容

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基于Internet可重构逻辑技术（Internet Reconfigurable Logic ）

IRL的定义

Internet Reconfigurable Logic一种远程系统现场升级、重构、调试、监测的设计方法

基于FPGA技术、嵌入式Internet技术，以及应用背景等各项支撑技术实现

Xilinx倡导并提供全面解决方案FPGA：Virtex/-E/II/Pro、SpartanII/EXC18V00系列ISP PROMPPC405、MicroBlaze MPU IP CoreSoftWare、API

IRL基本要素

Why IRL？远程系统升级－－性能提升

远程Bug修复 －－方便维护远程系统重构－－尤其是硬件

远程系统监测－－确保产品测试周期

从而带来以下优势：$$$￥￥￥缩短产品上市周期Time-to-market降低产品维护成本Lower bug fix cost延长产品生命周期Longer life cycle提升产品整体性能Higher performance

IRL设计实现（MPU or MCU）

IRL设计实现（SOPC）

MicroBlazeOr

PPC405

UART Or

EthernetJTAG

DefaultPROM

XC18V

UpgradePROM

XC18V

配置异常处理CoolRunner

CPLD FPGA

哇！SOPC＋IRL＝Everything You Can Dream！

依元素科技与IP Core开发小组

IP Core与ASSP成本比较

UART $5.50 17% $.93

16-bit RISC Processor $5.50 36% $1.98

16-bit, 16-tap Symmetrical FIR Filter

$5.50 27% $1.49

Reed-Solomon Encoder $5.50 6% $0.33

PCI Interface $6.55 45% $2.95

XCS30XL Price

Percentage of Device Used

EffectiveFunction CostCore Function

Prices are for 250Ku, least expensive package, slowest speed grade

SOPC提升系统性能